基于汽機流網一體化的輔助汽輪機建模與仿真

李東亮，程 剛，耿江華

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基于汽機流網一體化的輔助汽輪機建模與仿真

李東亮，程 剛，耿江華

（海軍工程大學裝備仿真技術研究所，武漢 430033）

針對基于節點法的輔助汽輪機流體網絡傳統建模中，在動態過程中存在質量不平衡的問題，不能滿足輔助汽輪機組變工況和故障工況特性研究的要求。本文提出了汽機流網一體化建模方法，依據質量守恒和能量守恒原理，采用可變出口導納模擬不同背壓下輔助汽輪機的流網運行情況。以某船舶汽輪燃油泵及其進出口蒸汽管網為研究對象，在MINIS環境下采用汽機流網一體化方法建立了其仿真模型。通過該方法下仿真結果與實際運行數據對比，驗證了模型的準確性。仿真結果與傳統模型仿真結果進行對比分析，表明了變工況和故障工況下汽機流網一體化模型具有更好的穩定性和動態適應性。

輔助汽輪機 汽機流網 一體化模型 傳統模型 可變出口導納

0 引言

在動力系統中，輔助汽輪機拖動各種泵、風機、壓縮機等設備運輸風、油、水等工質，直接影響整個機組的安全和經濟性運行。因此，對輔助汽輪機及其管路系統建立貼切合適的模型，對研究整個機組的動態靜態特性尤為重要[1]。

在輔助汽輪機及其管路系統建模過程中，一般將其抽象成流體網絡，把流體的傳輸和瞬變問題轉化成流體網絡節點的壓力和支路內的流量問題[4]。目前，流體網絡建模方法主要包含節點法[2,3]、圖形建模方法[6-7]、矩陣法[5]、鍵合圖法[8]等。其中節點法和矩陣法是最常用的兩種模塊化流體網絡建模方法。節點法是建立節點壓力和設備各自獨立的計算模塊，各模塊間變量相互關聯并往復迭代。矩陣法是將所有節點的壓力方程、流量方程列出后，用矩陣進行統一求解。

以上方法在大型火電仿真培訓系統的研制工作中得到了廣泛應用，但對于工況變化較為頻繁且背壓波動較大的船舶輔助汽輪機[9]，此方法在穩定工況和正常工況中運行良好，在變工況和故障工況中卻存在動態趨勢不明顯和部分極限工況下趨勢錯誤的現象，不適用特殊工況和故障工況研究。

本文基于質量守恒和能量守恒原理，提出了汽機流網一體化建模方法。在基于該方法的建模過程中，背壓采用實時運行數據，設置輔助汽輪機出口導納設為可變出口導納，將輔助汽輪機與其所在流體網絡作為一個整體進行建模。本文應用某艦船汽輪燃油泵及其進出口蒸汽管網運行數據，基于輔助汽輪機流網一體化建模原理，建立了汽輪燃油泵流網模型，并將仿真結果與實際運行數據作對比，驗證模型的準確性；與傳統模型仿真結果作對比，觀察汽輪機流網一體化建模方法的穩定性和動態適應性。

1 模型概述

1.1 汽輪燃油泵系統

船舶汽輪燃油泵用來從燃油柜吸入燃油，然后給鍋爐燃燒裝置提供一定壓力、一定流量的燃油，以保證鍋爐裝置的正常運行。汽輪燃油泵主要由汽輪原機、雙螺桿螺桿泵、工況給定器、油開關、新蒸汽閥、手動啟動閥、管路及附件等組成。由汽輪燃油泵汽輪原機、閥門及管路構成的蒸汽流體網絡如圖1所示。

圖1 汽輪燃油泵系統圖管

微過熱蒸汽總管提供微過熱蒸汽，經過油開關和手動啟動閥/新蒸汽閥，進入汽輪燃油泵汽輪原機，排汽經廢汽閥排至廢汽總管。其中，在汽輪燃油泵啟動過程中，油開關打開僅啟動手動啟動閥；在正常運行的過程中，手動啟動閥關閉，通過調節新蒸汽閥的開度調節汽輪原機的進汽量。汽輪燃油泵通過汽輪原機的轉動帶動雙螺桿螺桿泵轉動，輸送燃油。

1.2 輔助汽輪原機模型

汽輪原機模型由調節級模型和非調節級模型組成，遵循能量守恒定律和質量守恒定律。

1）調節級數學模型

調節級的流量方程為：

忽略工質的初始溫度、壓力的影響，汽輪機機械效率是轉速和焓降的函數：

忽略汽輪機的環境散熱，蒸汽在汽輪機中做功的過程可看做是一個等熵過程:

根據上述公式，可得出調節級的實際排汽焓和輸出功率：

2）非調節級數學模型

1.3 流體網絡模型

不可壓縮流體支路的流量為：

令線性導納:

對于可壓縮流體支路的流量為：

令線性導納：

則

在計算支路導納時，對于可壓縮和不可壓縮流體時分別采用下列公式：

1）不可壓縮流體

2）可壓縮流體

在實際的流體管系中工質壓力具有雙向傳播的特點，任何一處的壓力或流量的波動，都會波及到整個系統。為了模擬真實情況，組成流網的任意節點壓力或支路流量發生變化，也應該傳播到整個網絡，使系統中工質的熱力參數重新分布[15]。建立流網模型通用矩陣，借助矩陣同時求解流網模型中所有節點壓力和支路流量，使流網模型更真實的反映壓力傳播的同步雙向性特點，提高整個仿真系統的動態精度。

以矩陣形式表示的流網方程為：

1.4 汽輪燃油泵仿真模型

根據汽輪燃油泵系統的蒸汽流動過程，建立對應的汽輪原機和閥門模塊。對輔助汽輪機進行等效處理，將汽輪原機抽象為調節級等效閥門和非調節級等效閥門串聯組成的支路。其中非調節級等效閥為進出口壓力，為調節級出口壓力和汽輪原機排汽壓力，流量為等效閥門的汽輪機流量，其計算導納為可變導納。

調節級等效閥門導納：

非調節級等效導納：

2 仿真研究與分析

MINIS仿真軟件是一款基于面向過程的模塊化建模方法、可隨時在線調試的軟件。基于機理建模原理，在MINIS上采用節點法將汽輪原機模塊計算的出口流量直接作為微小流量輸入到流體網絡模塊中，建立汽輪燃油泵傳統仿真模型。并根據汽機流網一體化建模方法搭建汽輪燃油泵一體化仿真模型。設置初始條件，包含穩態運行工況、變工況和故障工況三個初始條件，并在三個初始條件下進行仿真試驗。

圖2 汽輪燃油泵汽機流網一體化建模系統圖

2.1 穩態運行工況

投入工況一的初始條件，觀察汽輪燃油泵汽輪原機進口蒸汽壓力、進口蒸汽溫度、新蒸汽閥開度和汽輪燃油泵轉速。并與設計值進行比較，計算各個參數的誤差，如下表所示。

表1 在工況一下主要運行參數的仿真結果

由上表1可知，在工況一條件下，汽輪燃油泵主要運行參數與實際運行參數誤差在3%以內，符合質量守恒定律和能量守恒定律，表明一體化模型具備較高的準確性。

2.2 變工況

機組在工況一下穩定運行，轉速控制方式處于自動調節模式，在=170 s時，大幅降低汽輪燃油泵轉速的設定值，觀察一體化模型和傳統模型下進出口流量的變化情況，并計算進出口流量的誤差驗證模型的動態準確性。

在=0 s~170 s時，一體化模型和傳統模型進口流量波動范圍小，進出口流量誤差在3%以內。在=170 s~340 s期間，對比閥門的動態變化趨勢，兩模型進出口流量動態趨勢與閥門動態變化趨勢一致，一體化模型在變工況過程中誤差小于10%，傳統模型誤差最高可達-102%。由此表明在變工況過程中，一體化模型變工況過程中動態趨勢變化正確且符合質量守恒定律，傳統模型動態趨勢變化正確，但進出口流量誤差較大。結果表明，一體化模型較傳統模型在變工況過程中具備良好的動態適應性。

2.3 故障工況

機組在工況一穩定運行，轉速控制方式處于手動調節模式，在=60 s時，突然開大廢氣總管補汽閥開度，增大廢汽總管壓力，后在廢汽總管壓力調節器的調解下，廢汽總管壓力恢復正常。

當廢汽壓力升高時，一體化模型下汽輪燃油泵轉速和進口流量降低，而傳統模型汽輪燃油泵轉速保持穩定運行狀態；當廢汽壓力降低時，一體化模型下汽輪燃油泵轉速和進口流量升高，而傳統模型汽輪燃油泵轉速依然保持穩定運行狀態。試驗結果表明，一體化模型較傳統模型在背壓發生突變的故障工況中能更好的體現輔助汽輪機組的動態特性，驗證了所建模型的有效性。

4 結論

本文針對船舶輔助汽輪機傳統建模不能滿足變工況和故障工況研究需求的問題，提出汽機流網一體化建模方法。并以某船舶汽輪燃油泵及其流體網絡為研究對象，在MINIS仿真環境下，采用可變出口導納對其進行建模研究。通過與實際運行數據作對比，驗證了模型的準確性；本文研究成果提供了一種新的有效建模方法，可推廣到其他輔助汽輪機中。

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Modeling and Simulation of Auxiliary Turbine Based on Integration Method of Turbine and Fluid Network

Li Dongliang, Cheng Gang, Geng Jianghua

(Institute of Naval Power Plant Simulation, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TM311

A

1003-4862（2019）03-0021-05

2018-10-19

李東亮（1981-），男，講師。研究方向：動力機械及熱力系統的設計、仿真與優化。E-mail: gengjianghua@yeah.net